水下无人系统学报
Journal of Unmanned Undersea Systems
2024年第5期
知及目标识
KCS船舶尾流感应电磁场仿真分析
署名作者：
兰青, 闫林波, 任斌斌
作者单位：
西安工业大学 基础学院, 陕西 西安, 710021
基金项目：
陕西省重点研发计划(2023-YBGY-016); 西安市未央区科技计划(201843).
摘要
为了更系统地研究船舶在航行过程中引起的尾流感应电磁场, 文中以有限元法为基础, 利用磁流体力学、麦克斯韦方程组等电磁场和流体力学理论, 对KCS船舶尾流运动产生的感应电磁场进行仿真分析。结果表明: KCS船舶尾流感应磁场量级在可探测范围内有明显的分布规律; 尾流感应磁场在传播方向上存在极值, 其大小与测量位置相关; 尾流感应磁场先随距离增大到极值, 再沿传播距离方向逐渐衰减; 尾流电流密度沿传播距离方向逐渐衰减。文中的研究可为海洋电磁探测及船舶跟踪和定位等研究提供参考。
引言
船舶在航行过程中会引起周围海水运动而产生尾流, 尾流与船舶的几何形状密切相关, 因此尾流中包含着大量船舶信息, 可实现对船舶目标的定位、跟踪和反侦察[1-2]。目前, 针对尾流的光散射特性、声散射特性、热学特性和相应探测技术等的研究已有许多[3]。由于海水属于良导体, 船舶运动引起的尾流会切割地磁场产生感应电磁场[4]。Zou等[5]利用超导量子干涉仪(superconducting quantumn interference device, SQUID)探究了海面磁尾流的探测机理。Yaakobi等[6]研究了弗劳德数对尾流电磁场的影响。王伟[7]研究了风浪背景下的开尔文尾流感应磁场。张建生等[8]从船体几何结构、航行速度等方面对开尔文尾流感应磁场特性进行了研究。张伽伟等[9-10]仿真分析了浅海中船舶和水下潜艇的开尔文尾流感应电磁场。上述研究主要侧重于表面开尔文尾流感应电磁场, 对船舶内波和船艏波等尾流电磁特性的研究较少。
日本电信集团KCS(Kokusai Cable Ship)公司成立于1966年, 半个世纪以来, 该公司已参与了约7×104 km海底电缆的建设, 主要位于亚太地区。目前, KCS负责超过8.7×104 km海底电缆的维护。2019年, KCS接收了由斯里兰卡船厂Colombo Dockyard建造的载重5 300 t远洋铺缆船“Infinity号”, 这是日本第1艘自推进电力和通信电缆敷设船。对于KSC船尾流磁场的研究, 无论是从军事角度还是民用角度, 都有很好的应用前景和研究价值。
文中以KCS船为研究对象, 通过有限元法(finite element method, FEM)仿真, 对KCS船近船场尾流感应电磁场进行仿真计算, 考虑了内波流场与船艏流场, 得到了KCS船尾流感应电磁场的空间分布规律和传播规律, 对海洋电磁探测、利用感应电磁场对船舶进行跟踪和定位等研究具有一定的参考价值。
结束语
文中基于KCS船舶提出了利用FEM的船舶尾流感应电磁场仿真方案。从海水切割地磁场产生感应电磁场出发, 应用磁流体力学和电磁场相关理论对船舶尾流感应电磁场进行仿真分析。仿真计算结果显示:
1) KCS尾流感应磁场的量级为102~10−2 nT, 感应电流密度的量级为10−1~10−3 Am, 是海洋电磁探测不可忽视的电磁场源;
2) 尾流感应电磁场与尾流形态相关, 感应磁场空间分布有着明显特征, 因此可以将尾流感应电磁场作为探测手段进行船舶探测和追踪;
3) 尾流感应磁场在各方向的极值大小和所处位置与测量点相关, 主要表现为随着测量点远离船尾, 逐渐减小且向着传播方向移动。
文中所得仿真数值与现有测量值为同一量级, 但该模型也存在一定局限性。建模过程中忽略了部分对尾流有影响的物理参数, 还需进一步完善模型, 比如加入海水温度、水质、电导率、磁导率、海流分层和海水垂直运动等影响因素, 后续将考虑真实海况信息对模型进一步修正, 使模型更贴近实际测量值, 并探究不同海洋航行体尾流的感应电磁场分布变化, 进一步根据尾流信息判断船舶型号等, 为尾流反演追踪定位海洋航行体和鱼雷制导等提供理论基础。
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参考文献略
文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2024年第32卷第5期，点击阅读原文可查看。
